激光與物質(zhì)相互作用第二講基礎(chǔ)1

1、設(shè)計：李波設(shè)計：李波激光與物質(zhì)相互作用激光與物質(zhì)相互作用第一章第一章 激光與物質(zhì)相互作用基礎(chǔ)激光與物質(zhì)相互作用基礎(chǔ) 秦應(yīng)雄秦應(yīng)雄 博士博士 副教授副教授 電話：電話：02787541774（辦公室）（辦公室）mail：朱海紅朱海紅 博士博士 教授教授 電話：電話：02787544774（辦公室）（辦公室）email：設(shè)計：李波設(shè)計：李波提綱提綱二、材料對激光的反射與吸收二、材料對激光的反射與吸收三、激光作用材料的能量傳輸三、激光作用材料的能量傳輸 四、本章小結(jié)四、本章小結(jié)一、激光束的特性與描述一、激光束的特性與描述設(shè)計：李波設(shè)計：李波一、激光

2、束的特性與描述一、激光束的特性與描述1.1 1.1 激光束的特點激光束的特點1.2 1.2 激光束的空間特性激光束的空間特性1.3 1.3 激光束的空間特性激光束的空間特性1.4 1.4 激光束的頻譜特性激光束的頻譜特性1.5 1.5 激光束的偏振特性激光束的偏振特性設(shè)計：李波設(shè)計：李波+ 平行的+ 單色的+ 相干的 高功率密度高功率密度 非接觸非接觸 無磨損無磨損 高精度高精度a) 激光激活介質(zhì)激光激活介質(zhì) (氣體, 固體 或 半導(dǎo)體)b) 激勵源激勵源 (泵浦燈, 半導(dǎo)體 或 放電激勵)c) 光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔 (全反和部分反射鏡)- 發(fā)散的- 多色的- 不相干的電燈泡激光束c)c)b)

3、a)產(chǎn)生產(chǎn)生特性特性優(yōu)勢優(yōu)勢激光激光設(shè)計：李波設(shè)計：李波一、激光束的特性與描述一、激光束的特性與描述思考題思考題1 1、從激光束的特性分析，激光束為什么、從激光束的特性分析，激光束為什么能用于熱加工，對激光與物質(zhì)相互作用能用于熱加工，對激光與物質(zhì)相互作用有什么益處？有什么益處？2 2、如何理解、如何理解m m2 2因子是一個不變量？因子是一個不變量？3 3、理解聚焦半徑、焦深之間的關(guān)系，如、理解聚焦半徑、焦深之間的關(guān)系，如何應(yīng)用？何應(yīng)用？設(shè)計：李波設(shè)計：李波1.1 1.1 激光束的特點激光束的特點（1 1） 方向性好方向性好 （發(fā)散角（發(fā)散角10 10 -4-4弧度）弧度）一束激光射到一束激光

4、射到3838萬萬kmkm的月球的月球上，光斑的直徑只有上，光斑的直徑只有2km2km手電筒的光射到手電筒的光射到m m處，處，擴展成很大的光斑。擴展成很大的光斑。 對加工的意義：對加工的意義：發(fā)散角小、聚焦光斑小，聚焦能力發(fā)散角小、聚焦光斑小，聚焦能力密度高。密度高。 利用激光準(zhǔn)直儀可使利用激光準(zhǔn)直儀可使長為長為2.5km的隧道掘進偏的隧道掘進偏差不超過差不超過16nm. 激光準(zhǔn)直、導(dǎo)向和測距就是利激光準(zhǔn)直、導(dǎo)向和測距就是利用方向性好這一特性。用方向性好這一特性。 fd設(shè)計：李波設(shè)計：李波（2 2） 單色性好單色性好單色性最好的氪燈單色性最好的氪燈kr86 =4.710-3 nm 穩(wěn)頻穩(wěn)頻he

5、ne激光器激光器 910 nm- 激光的單色性比普通光高激光的單色性比普通光高 倍倍. .1010對加工的意義：對加工的意義： 與相干性好對應(yīng)，另外，與相干性好對應(yīng)，另外，聚焦球差小聚焦球差小 由于激光的單色性好，為由于激光的單色性好，為精密度儀器測量和激勵某些精密度儀器測量和激勵某些化學(xué)反應(yīng)等科學(xué)實驗提供了化學(xué)反應(yīng)等科學(xué)實驗提供了極為有利的手段。極為有利的手段。設(shè)計：李波設(shè)計：李波（3 3）亮度極高）亮度極高 激光是當(dāng)代最亮的光源，只有氫彈激光是當(dāng)代最亮的光源，只有氫彈爆炸瞬間強烈的閃光才能與它相比擬。爆炸瞬間強烈的閃光才能與它相比擬。太陽光亮度大約是太陽光亮度大約是10103 3瓦瓦( (

6、厘米厘米2 2. .球面球面度度) )，而一臺大功率激光器的輸出光亮，而一臺大功率激光器的輸出光亮度經(jīng)太陽光高出度經(jīng)太陽光高出7 71414個數(shù)量級。個數(shù)量級。設(shè)計：李波設(shè)計：李波激光的能量在空間上、在時間上高度集中激光的能量在空間上、在時間上高度集中光能量不僅在空間上高度光能量不僅在空間上高度集中，同時在時間上也可集中，同時在時間上也可高度集中，因而可以在一高度集中，因而可以在一瞬間產(chǎn)生出巨大的光熱。瞬間產(chǎn)生出巨大的光熱。在工業(yè)上，激光打孔、切割和焊接。在工業(yè)上，激光打孔、切割和焊接。醫(yī)學(xué)上視網(wǎng)膜凝結(jié)和進行外科手術(shù)。醫(yī)學(xué)上視網(wǎng)膜凝結(jié)和進行外科手術(shù)。在測繪方面，可以進行地球到月球之間距離的在測

7、繪方面，可以進行地球到月球之間距離的測量和衛(wèi)星大地測量。測量和衛(wèi)星大地測量。在軍事領(lǐng)域，可以制成摧毀敵機和導(dǎo)彈的激光在軍事領(lǐng)域，可以制成摧毀敵機和導(dǎo)彈的激光武器武器 設(shè)計：李波設(shè)計：李波（a a）時間相干性：波場中同一點不同時刻光波場）時間相干性：波場中同一點不同時刻光波場特性的相關(guān)性。此相干性來源于原子發(fā)光的間斷性。特性的相關(guān)性。此相干性來源于原子發(fā)光的間斷性。描述時間相干描述時間相干性的等效物理性的等效物理量：量：相干時間：相干時間：c相干長度：相干長度：cl譜線寬度：譜線寬度：1cclcc（b b）空間相干性：波場中不同點在同一時刻光波場特性）空間相干性：波場中不同點在同一時刻光波場特性

8、的相關(guān)性。此相干性來源于光源中不同原子發(fā)光的獨立性。的相關(guān)性。此相干性來源于光源中不同原子發(fā)光的獨立性。（4 4） 相干性好相干性好 普通光源的缺陷普通光源的缺陷：增大相干面積、相干長度與增大相干光強是：增大相干面積、相干長度與增大相干光強是矛盾的！矛盾的！激光光源激光光源：是把大的相干光強與好的相干性結(jié)合起來的強相：是把大的相干光強與好的相干性結(jié)合起來的強相干光源。干光源。設(shè)計：李波設(shè)計：李波激光相干性激光相干性l空間相干性好，有的激光波面上各個點幾乎都是相干光源?？臻g相干性好，有的激光波面上各個點幾乎都是相干光源。l時間相干性好（時間相干性好（ 10 - 8埃），相干長度可達幾十公里。埃）

9、，相干長度可達幾十公里。 普通光源的光是向四面八方發(fā)射的，光能無法高度集中。普普通光源的光是向四面八方發(fā)射的，光能無法高度集中。普通光源上不同點發(fā)出的光在不同方向上、不同時間里都是雜亂通光源上不同點發(fā)出的光在不同方向上、不同時間里都是雜亂無章的，經(jīng)過透鏡后也不可能會聚在一點上。無章的，經(jīng)過透鏡后也不可能會聚在一點上。 激光與普通光相比則大不相同。因為它的頻率很單純，從激光與普通光相比則大不相同。因為它的頻率很單純，從激光器發(fā)出的光就可以步調(diào)一致地向同一方向傳播，可以用透激光器發(fā)出的光就可以步調(diào)一致地向同一方向傳播，可以用透鏡把它們會聚到一點上，把能量高度集中起來。鏡把它們會聚到一點上，把能量高

10、度集中起來。 設(shè)計：李波設(shè)計：李波小結(jié)小結(jié)（1 1）方向性好：發(fā)散角小、聚焦光斑小，聚焦能力）方向性好：發(fā)散角小、聚焦光斑小，聚焦能力密度高。密度高。（2 2）單色性好）單色性好: :為精密度儀器測量和激勵某些化學(xué)為精密度儀器測量和激勵某些化學(xué)反應(yīng)等科學(xué)實驗提供了極為有利的手段。聚焦色反應(yīng)等科學(xué)實驗提供了極為有利的手段。聚焦色差小。差小。（3 3）亮度極高：能量密度高，能量光電子的應(yīng)用基）亮度極高：能量密度高，能量光電子的應(yīng)用基礎(chǔ)。材料加工、醫(yī)療、武器等。礎(chǔ)。材料加工、醫(yī)療、武器等。（4 4）相關(guān)性高：獲得高的相關(guān)光強，從激光器發(fā)出）相關(guān)性高：獲得高的相關(guān)光強，從激光器發(fā)出的光就可以步調(diào)一致地

11、向同一方向傳播，可以用的光就可以步調(diào)一致地向同一方向傳播，可以用透鏡把它們會聚到一點上，把能量高度集中起來。透鏡把它們會聚到一點上，把能量高度集中起來。設(shè)計：李波設(shè)計：李波1.2 1.2 激光束的空間特性激光束的空間特性a a 光束半徑光束半徑（a a） 1/e1/e2 2 定義定義：對于旋轉(zhuǎn)對稱光束，在光強（光功：對于旋轉(zhuǎn)對稱光束，在光強（光功率密度）分布曲線率密度）分布曲線i(r)i(r)上（上（r r為徑向坐標(biāo)），最大值為徑向坐標(biāo)），最大值i imaxmax的的1/e1/e2 2 處二點間距離之半定義為束寬處二點間距離之半定義為束寬2maxe/iie）（e（b b） 86.5%86.5%

12、環(huán)圍功率（能量）環(huán)圍功率（能量）：即光強分布曲線：即光強分布曲線i i（r r）上占總功率（能量）上占總功率（能量）86.586.5處二點間距離之半定義束處二點間距離之半定義束寬寬86.5%0%5 .860)i(%5 .86)i(rdrrrdrr設(shè)計：李波設(shè)計：李波（c c）二階矩陣定義：）二階矩陣定義： 首先定義光束的重心首先定義光束的重心設(shè)計：李波設(shè)計：李波b b、光束傳輸與特征參數(shù)的定義、光束傳輸與特征參數(shù)的定義高斯光束傳輸公式：高斯光束傳輸公式：z z0 0：束腰位置；：束腰位置； w w0 0：束腰半徑；：束腰半徑； ：遠場發(fā)散角：遠場發(fā)散角設(shè)計：李波設(shè)計：李波c c、光束傳輸因子、

13、光束傳輸因子k k與衍射倍率因子與衍射倍率因子m m2 2光束傳輸過程中，光束傳輸過程中，m m2 2因子是一個不變量因子是一個不變量光束參數(shù)乘積（光束參數(shù)乘積（bppbpp）設(shè)計：李波設(shè)計：李波d d、橫向模式、橫向模式矩形厄米高斯光束矩形厄米高斯光束設(shè)計：李波設(shè)計：李波圓形拉蓋爾高斯光束圓形拉蓋爾高斯光束設(shè)計：李波設(shè)計：李波平凹腔的數(shù)值計算平凹腔的數(shù)值計算計算的光束質(zhì)量參數(shù)計算的光束質(zhì)量參數(shù)設(shè)計：李波設(shè)計：李波e e、光束的聚焦、光束的聚焦聚焦半徑聚焦半徑焦深：焦深：掌握聚焦半徑、焦深與透鏡焦距、光束本身參數(shù)的關(guān)系掌握聚焦半徑、焦深與透鏡焦距、光束本身參數(shù)的關(guān)系0r ffoc設(shè)計：李波設(shè)計

14、：李波不同焦距不同焦距設(shè)計：李波設(shè)計：李波設(shè)計：李波設(shè)計：李波不同光斑大小不同光斑大小設(shè)計：李波設(shè)計：李波不同光束質(zhì)量不同光束質(zhì)量設(shè)計：李波設(shè)計：李波1.2 1.2 光束的空間特性小結(jié)光束的空間特性小結(jié)a a、光束半徑定義、光束半徑定義b b、光束傳輸與特征參數(shù)的定義、光束傳輸與特征參數(shù)的定義c c、光束傳輸因子、光束傳輸因子k k與衍射倍率因子與衍射倍率因子m m2 2d d、橫向模式、橫向模式e e、光束的聚焦、光束的聚焦設(shè)計：李波設(shè)計：李波1.3 1.3 時間特性時間特性激光束可分為連續(xù)激光和脈沖激光；激光束可分為連續(xù)激光和脈沖激光；脈沖激光主要參數(shù)包括脈沖波形和寬度、脈沖頻率、峰值功率

15、、脈沖激光主要參數(shù)包括脈沖波形和寬度、脈沖頻率、峰值功率、 平均功率等參數(shù)。平均功率等參數(shù)。設(shè)計：李波設(shè)計：李波傳統(tǒng)腔內(nèi)短脈沖壓縮傳統(tǒng)腔內(nèi)短脈沖壓縮傳統(tǒng)的短脈沖壓縮傳統(tǒng)的短脈沖壓縮ramanraman邊頻帶的疊加邊頻帶的疊加高次諧波的產(chǎn)生與疊加高次諧波的產(chǎn)生與疊加設(shè)計：李波設(shè)計：李波1.4 1.4 頻譜特性頻譜特性波長、譜線寬度和輪廓等波長、譜線寬度和輪廓等常用激光器波長表常用激光器波長表激光器名稱激光器名稱介質(zhì)介質(zhì)光頻數(shù)光頻數(shù)波長波長nmnmn2n2氣體氣體紫外光紫外光337.1337.1he-nehe-ne氣體氣體可見光可見光紅寶石紅寶石cr3+cr3+固體固體可見光可見光694.3694

16、.3ndnd：yag(yag(摻釹的釔鋁石榴石摻釹的釔鋁石榴石) )固體固體紅外光紅外光nd:ylf(nd:ylf(nd:ylfnd:ylf( (摻釹氟化釔鋰摻釹氟化釔鋰) )固體固體紅外光紅外光10471047nd:ylf(nd:ylf(nd:ylfnd:ylf( (摻釹氟化釔鋰摻釹氟化釔鋰) )固體固體紅外光紅外光10531053co2co2氣體氣體遠紅外光遠紅外光hoho：yagyag（鈥激光）（鈥激光）固體固體紅外光紅外光2010201020202020hoho：ylfylf（鈥激光）（鈥激光）固體固體紅外光紅外光2020202020302030ndnd：yagyag倍頻倍頻固體固體綠

17、光綠光ndnd：yagyag三倍頻三倍頻固體固體藍光藍光ndnd：yagyag四倍頻四倍頻固體固體紫外紫外632.8632.8106010601060010600532532355355266266設(shè)計：李波設(shè)計：李波頻率為4.71014 hz，頻率寬度為=1.5109譜線寬度譜線寬度例如例如，氖放電管發(fā)射的光波為圖中所示，中心hz，氖放電管如長100 cm ，相鄰二共振頻率之差 hz 8105 . 12/lc 原子發(fā)光時間 和頻率寬度 成反比， t/1t發(fā)光時間 t 理想的單色光：頻率寬度 ，0 任何光源， 和 都有一定大小。t這就要求設(shè)計：李波設(shè)計：李波a a、橫波的偏振性、橫波的偏振性振

18、動面振動面：光矢量：光矢量e e與傳播方向組成的平面。與傳播方向組成的平面。偏振偏振: e: e的振動方向?qū)鞑シ较虻牟粚ΨQ性。的振動方向?qū)鞑シ较虻牟粚ΨQ性。光矢量光矢量振動面振動面v v0 0h he e只有橫波才有偏振現(xiàn)象只有橫波才有偏振現(xiàn)象1.5 1.5 偏轉(zhuǎn)特性偏轉(zhuǎn)特性偏振態(tài)偏振態(tài): : 光矢量在與光傳播方向垂直的平面內(nèi)的振動狀態(tài)。光矢量在與光傳播方向垂直的平面內(nèi)的振動狀態(tài)。設(shè)計：李波設(shè)計：李波b、線偏振光、線偏振光e e播播傳傳方方向向振振動動面面線偏振光可沿線偏振光可沿兩個相互垂直兩個相互垂直的方向分解的方向分解e ee ey ye ex x y yx x sincoseeeey

19、x 面對光的傳播方向看面對光的傳播方向看設(shè)計：李波設(shè)計：李波在垂直于光傳播方向的平面在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)，右旋圓偏振光的電矢量內(nèi)，右旋圓偏振光的電矢量隨時間變化順時針旋轉(zhuǎn)隨時間變化順時針旋轉(zhuǎn)右旋圓偏振光在三維空間中右旋圓偏振光在三維空間中電矢量左旋電矢量左旋yx0 xyz 在垂直于光傳播方向的固定平面內(nèi)，光矢量的大小不變，在垂直于光傳播方向的固定平面內(nèi)，光矢量的大小不變，但隨時間以角速度但隨時間以角速度 旋轉(zhuǎn)，其末端的軌跡是圓。這種光叫做圓旋轉(zhuǎn)，其末端的軌跡是圓。這種光叫做圓偏振光。某一固定時刻偏振光。某一固定時刻t t0 0，在傳播方向上各點對應(yīng)的光矢量的，在傳播方向上各點對應(yīng)的光矢量

20、的端點軌跡是螺旋線端點軌跡是螺旋線. . 隨著時間推移，隨著時間推移， 螺旋線以相速前移。螺旋線以相速前移。 c、圓偏振光束、圓偏振光束設(shè)計：李波設(shè)計：李波徑向偏振光與環(huán)向偏振光的形成- themegallery is a design digital content & contents mall developed by guild design inc.- themegallery is a design digital content & contents mall developed by guild design inc.d d、 徑向偏振光與環(huán)向偏振光徑向偏振光與環(huán)向偏振光設(shè)計：

21、李波設(shè)計：李波e e、偏振光束的產(chǎn)生、偏振光束的產(chǎn)生常用反射鏡表面對常用反射鏡表面對10.6um10.6um光波的反射率光波的反射率(%)(%)反射鏡對不同偏振方向入射光束的反射率反射鏡對不同偏振方向入射光束的反射率設(shè)計：李波設(shè)計：李波p-waves-wavemain angle0 15 30 45 60 75 90 金屬反射率金屬反射率1.00.80.60.40.20.0angle of incidence 設(shè)計：李波設(shè)計：李波co2co2激光器常用激光諧振腔激光器常用激光諧振腔尾鏡窗口單折腔u形多折腔矩形多折腔非偏振光非偏振光線偏振光線偏振光線偏振光線偏振光設(shè)計：李波設(shè)計：李波思考題：分析

22、非穩(wěn)波導(dǎo)思考題：分析非穩(wěn)波導(dǎo)混合腔輸出光束偏振特混合腔輸出光束偏振特性性p-waves-wavemain angle0 15 30 45 60 75 90 1.00.80.60.40.20.0angle of incidence 設(shè)計：李波設(shè)計：李波徑向偏振光的產(chǎn)生徑向偏振光的產(chǎn)生- themegallery is a design digital content & contents mall developed by guild design inc.設(shè)計：李波設(shè)計：李波siliconti-layercu-layer12m5.2m4.8m具有偏振選擇性的衍射鏡結(jié)構(gòu)具有偏振選擇性的衍射鏡結(jié)構(gòu)a: a: 用于產(chǎn)生徑向偏振光的結(jié)構(gòu)用于產(chǎn)生徑向偏振光的結(jié)構(gòu)b: b: 用于產(chǎn)生環(huán)向偏振光的結(jié)構(gòu)用于產(chǎn)生環(huán)向偏振光的結(jié)構(gòu)反射系數(shù)反射系數(shù): : 平行于徑向的電場矢量為平行于徑向的電場矢量為 94% 94% ，垂于徑向的電場矢量，垂于徑向的電場矢量 72%72%設(shè)計：李波設(shè)計：李波